基于西門子功能模塊的伺服定位系統(tǒng)的研究

吳勤斌，劉建新

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，成都 610039）

0 引言

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制包括進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、主軸驅(qū)動(dòng)和位置控制三個(gè)方面，數(shù)控機(jī)床的性能很大程度上由驅(qū)動(dòng)性能及位置控制系統(tǒng)的性能決定。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也逐步被應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中［1］。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。由于數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)異性能，它通常被應(yīng)用在高精度及快速控制系統(tǒng)中。目前，數(shù)控機(jī)床大多采用半閉環(huán)伺服控制，由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)未將機(jī)械傳動(dòng)造成的間隙包括在環(huán)內(nèi)，所以該部分的誤差仍會(huì)影響移動(dòng)部件的位移精度［2-4］。本文采用PLC控制的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)，利用FM351定位模塊和終端編碼器實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)檢測(cè)及反饋控制，有效的提高了工作臺(tái)的定位精度。因此，針對(duì)數(shù)控工作臺(tái)開展閉環(huán)控制的研究具有重要的實(shí)際意義。

1 閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置一般安裝在電動(dòng)機(jī)的軸上，通過(guò)測(cè)量角位移間接地測(cè)量出移動(dòng)部件的位移，然后反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，與系統(tǒng)中的位置指令值進(jìn)行比較，用比較后的差值控制移動(dòng)部件移動(dòng)，直到差值消除時(shí)才停止移動(dòng)［5-6］。在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，由于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)未全部包括在位置反饋中，所以這部分誤差仍會(huì)影響到移動(dòng)部件的定位精度。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多采用如圖1所示的半閉環(huán)定位控制系統(tǒng)。

圖1 半閉環(huán)定位控制系統(tǒng)

全閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示，是在機(jī)床移動(dòng)部件上直接安裝位置檢測(cè)裝置，其基本思想是:由于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的間隙和回程差等外界因素導(dǎo)致的工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)誤差，可通過(guò)一個(gè)與工作臺(tái)同軸安裝的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)量和補(bǔ)償。伺服電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，編碼器以同樣的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生兩路相位相差90°的脈沖，通過(guò)判斷相位超前滯后的關(guān)系確定工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向，工作臺(tái)每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)值，根據(jù)任務(wù)需要將工作臺(tái)的目標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的角度換算成相應(yīng)的脈沖數(shù)，通過(guò)比較判斷所記錄的脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的定位控制。

圖2 全閉環(huán)定位控制系統(tǒng)

2 伺服定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

西門子公司開發(fā)的FM351是專門用于快速進(jìn)給和慢速驅(qū)動(dòng)的雙通道定位模塊，由它構(gòu)成的定位系統(tǒng)框圖如圖3所示。主要包括PLC部分、伺服驅(qū)動(dòng)部分、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)元件。

圖3 定位系統(tǒng)框圖

2.1 FM351模塊的定位原理

FM351定位模塊有2個(gè)獨(dú)立通道，一次可控制一條旋轉(zhuǎn)軸或一條線性軸，每個(gè)通道均支持一個(gè)增量編碼器或一個(gè)絕對(duì)編碼器，其定位原理如圖4所示。在位置控制過(guò)程中，F(xiàn)M351根據(jù)編碼器反饋信號(hào)確定軸當(dāng)前的實(shí)際位置值，最初以較快的速度逼近目標(biāo)，在距目標(biāo)指定距離處自動(dòng)改為慢速運(yùn)行，軸到達(dá)目標(biāo)之前會(huì)立即關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器，監(jiān)視目標(biāo)逼近，到達(dá)目標(biāo)的同時(shí)速度降為零。

圖4 FM351定位原理圖

2.2 低速大慣量伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

數(shù)控機(jī)床加工的特點(diǎn)是低速重切削，要求伺服系統(tǒng)在低速時(shí)有大轉(zhuǎn)矩輸出，但機(jī)電系統(tǒng)在低速工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象，影響伺服系統(tǒng)的正常工作。大慣量負(fù)載頻繁的加減速過(guò)程會(huì)對(duì)執(zhí)行器的壽命及安全造成嚴(yán)重影響［7］。本系統(tǒng)從低速大慣量伺服系統(tǒng)的特性出發(fā)，結(jié)合實(shí)際控制要求，采用全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)的精確控制。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，伺服電機(jī)通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，降低轉(zhuǎn)速的同時(shí)又提高了輸出轉(zhuǎn)矩，使負(fù)載和電機(jī)相匹配。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的減小使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，可有效降低傳動(dòng)誤差。

2.3 伺服電機(jī)及終端編碼器的選擇

以成都天元模具有限公司的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)為例，其載荷為6000kg，有效半徑1m，工作時(shí)轉(zhuǎn)速為3r/min，齒輪減速比為4，定位精度0.5°。

減速比為4，得小齒輪轉(zhuǎn)速:

三相電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p=3，則電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速:

減速器的減速比為:

負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:

則折算到電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:

設(shè)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為0.2s，則負(fù)載的角加速度:

負(fù)載轉(zhuǎn)矩:

折算到電機(jī)端轉(zhuǎn)矩:

電機(jī)功率:

為保證伺服系統(tǒng)穩(wěn)定工作，一般要求折合到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量小于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的5倍，考慮到系統(tǒng)的慣性力及摩擦阻力等的功率損耗，可選用MOTECα系列的190B3010型伺服電機(jī)，其參數(shù)如表1所示。

表1 伺服電機(jī)的參數(shù)

終端編碼器作為運(yùn)動(dòng)部件的最終檢測(cè)環(huán)節(jié)，可直接測(cè)量旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度值，將齒輪等機(jī)械傳動(dòng)部分所產(chǎn)生的誤差也包含在了閉環(huán)控制系統(tǒng)中，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。工作臺(tái)定位精度要求為0.5°，每秒發(fā)送脈沖個(gè)數(shù)為:360/0.5=720，選擇歐姆龍E6B2-CWZ6C型編碼器，其參數(shù)如表2所示。

表2 終端編碼器參數(shù)

3 系統(tǒng)誤差分析

影響齒輪副傳動(dòng)誤差的因素有兩大類:一類是單個(gè)齒輪在加工過(guò)程中產(chǎn)生的偏心誤差、基節(jié)誤差和齒形誤差等;另一類是在裝配過(guò)程中產(chǎn)生的齒輪孔與軸的配合間隙，軸的徑向跳動(dòng)等。切向綜合誤差綜合了上述各項(xiàng)加工誤差對(duì)齒輪傳動(dòng)準(zhǔn)確性的影響，是主要因素［8］。系統(tǒng)采用的行星減速器輸出齒輪轉(zhuǎn)角最大綜合累計(jì)誤差為5.4＇，輸出級(jí)齒輪采用精度等級(jí)為6KH的圓柱齒輪，其模數(shù)m=3，齒數(shù)z=30，則分度圓半徑:

由角位移測(cè)量裝置引入的測(cè)量誤差主要是編碼器的量化誤差，經(jīng)四分頻后其值為:

全閉環(huán)定位控制系統(tǒng)雖因角位移測(cè)量裝置引入了量化誤差，但消除了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)引起的傳動(dòng)誤差，與半閉環(huán)定位控制系統(tǒng)相比其減小的誤差為:

定位系統(tǒng)要求的定位精度為0.5°，全閉環(huán)控制系統(tǒng)比半閉環(huán)控制系統(tǒng)的定位精度理論上可提高:

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

STEP7是用于對(duì)SIMATIC可編程邏輯控制器進(jìn)行組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。PLC指令通過(guò)指定的DB數(shù)據(jù)塊發(fā)送給FM351定位模塊，需設(shè)置的主要參數(shù)包括機(jī)器數(shù)據(jù)(Machine Data）、增量尺寸(Increment Size）、用戶數(shù)據(jù)(User Data）。FM351的參數(shù)可通過(guò)參數(shù)分配屏幕或參數(shù)DB分配，通過(guò)對(duì)駐留在FM351內(nèi)的數(shù)據(jù)塊DB進(jìn)行設(shè)定，就完成了對(duì)定位模塊FM351的初始化編程。在FM351模塊或CPU啟動(dòng)后每個(gè)通道都會(huì)調(diào)用FC ABS_INIT(FC0）函數(shù)，在初始化階段調(diào)用此函數(shù)可確保程序不會(huì)訪問(wèn)過(guò)期數(shù)據(jù)。通過(guò)FC ABS_CTRL(FC1），可以讀取模塊每個(gè)通道的操作數(shù)據(jù)，也可以配置通道并在操作期間對(duì)其進(jìn)行控制，使用返回值RET_VAL進(jìn)行常規(guī)錯(cuò)誤判斷［9-10］。

5 試驗(yàn)結(jié)果

圖5中白色曲線為理想定位曲線，紅色曲線為采用閉環(huán)控制的定位曲線，綠色曲線為開環(huán)控制曲線。從圖5可看出，第2次和第17次采集的數(shù)據(jù)分別為誤差的最大值和最小值。采用閉環(huán)控制時(shí)其誤差最大值為 5＇，最小值為 2＇，平均誤差為 4.1＇，采用開環(huán)控制方式其誤差最大值為19＇，最小值為6＇，平均誤差為14.4＇，兩種控制方式都滿足控制精度0.5°的要求。但是采用閉環(huán)控制方式的定位精度比開環(huán)控制方式提高了=28.4%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論值，基于西門子定位模塊FM351的閉環(huán)控制方式的有效的減少了機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)生的誤差，提高了系統(tǒng)的定位精度。

圖5 不同控制方式下的定位誤差曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

以西門子定位模塊FM351為核心的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)全閉環(huán)定位控制系統(tǒng)，在不占用主CPU資源的情況下就能有效消除機(jī)械傳動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的精確定位，操作簡(jiǎn)便，易于維護(hù)。而且，只要采用更高分辨率的編碼器就能提高系統(tǒng)的定位精度，擴(kuò)大了數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍。

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